（材料加工工程专业论文）破碎机锤头液态模锻模具设计与成形实验研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着基础建设行业的高速发展，需要破碎的物料越来越多，锤式破碎机的 服役条件越来越恶劣，传统的砂型铸造工艺生产的锤头在使用中暴露出了一系列 问题，如使用寿命短、缩松、缩孔等。为了解决这些问题，本文提出采用液态模 锻工艺进行锤式破碎机关键零件的生产，并以破碎机锤头通用材质高锰钢 ( z g m n l 3 ) 为研究材辩，以破碎机锤头为例，从锤头规格选择、生产工艺确定、 模具设计、工艺设计、成形质量的控制、液锻件组织与力学性能和加工硬化规律 等方面对该工艺进行了系统的实验与理论研究 首先，针对小规格商锰钢锤头制定了两种液态模锻工艺方法：直接液锻和间 接液锻；针对大规格的高锰钢锤头制定了液锻复合的工艺方法。针对以上三种工 艺分别进行了相应的工艺设计和模具设计。 其次，进行了直接液锻高锰钢锤头和液锻复合高锰钢碳钢锤头的实验。 在直接液锻高锰钢锤头实验中，采用直接液锻的方法生产出了合格的高锰钢 锤头。在成型比压为1 5 0 2 0 0 m p a ，保压时间为8 1 2 s ，浇注温度控制在1 4 4 0 的工艺参数下，z g 1 3 高锰钢锤头的组织匀致密、晶粒细小，冲击韧度a k 最高达 到z 0 9 1 t t d m 2 ，平均晶粒度达到了5 级。与普通砂型铸造z g m n l 3 高锰钢相比， 冲击韧度提高了1 7 。在直接液锻工艺中，液锻比压，保匿时间显著影响z g m n l 3 高锰钢锤头的组织、硬度和冲击韧性。同时针对实验过程中制件上出现的裂纹、 缩陷、冷隔等缺陷进行了相应的理论分析，并提出了改进措施。 在液锻复合高锰钢磁钢锤头的实验中，液锻比压2 0 0 m p a ，浇注温度1 4 8 0 左右。保压时间1 8 0 s 时，对液锻复合工艺进行了研究，并对实验过程中出现的径 向裂纹和气孔等缺陷进行了分析，提出了改进的措施。同时，自制了套加工硬 化性能测试设备，利用这套设备对液锻高锰钢复合锤头的加工硬化规律和性能进 行了研究结果发现：在高向尺寸上，距离加压冲头越远，沿制件高度方向，距 离加压冲头越远，制件的冲击韧度和硬度越低；在同样的加工硬化条件下，与金 属型锤头相比，液锻复合高锰钢碾钢锤头的加工硬化能力得到很大提高。 关键词：高锰钢；破碎机锤头；液态模锻：双金属复合；加工硬化：成形质量； 分类号： a b s l r a e l l ：= w i t ht h eh i g b l yd e v e l o p m e n to fb a s i ci n d , 僦e s , t h es e r v i c ee o n d i t i o mo f l u m a m e r h e a do nh 却舢e rc t a l s l a e ra l - ob e c o m i n gm u c hw o f c o m m o nc a s t i n g sh a v e b e e nu n a b l et os a t i s f yt h eh i 曲e rr e q u i r e m e n t sa tp r e s e n tw h i l eas e r i e so fq u e s t i o n s w e r et m e o v c r e di nt r a d i t i o n a ls a n dc a s t i n gp r o c e s s i no r d e rt os o l v et h eq u e s t i o n s l m c o y c r e d , s q u e e z o 锶她t e e h a i q u ei l s e d 丛t h ep r o e 嘲f o re r i t i c a ds t e e lc a s t i n g so f h a m m e c a e a dw 舔p u tf o r w a r di n t h i sp l t p a = oi nt h i ss t u d y , h i 咖m a n g a n e s es t e d ( z g m n l 3 ) w h i c hi st h ec o l l l l n o l lm a t e r i a lf o rh a m m e r h e a di su s e da st h er e s e a r c h m a t e r i a l h a m m e r h e a d0 1 1h a m m e rc r u s h e r 、“t hd i f f e r e n ts i z et h r o u 曲s q u e e z ec a s t i n g w c i eu s e da se x a m p l e s t h et e e l m i q u ew a ss t u d i e ds y s t e m i c a l l yt h r o u g he x p e r i m e n t s a n dt h e o r i e si nt h ef o l l o w i n g 硒p e c t s ：c h o i c e so fp r o d u c t i o np r o c e s s , m o l dd e s i g n , p r o c , 鹤sd e s i g n , c o n t r o lo f 也eq u a l i t y , m i e r o s t r u e t u r eo ft h ef o r m e dp a r t sa n dt h e i r m e e h a l t i e a lp r o p e a i e se t c f i r s t l y , t w ok i n d so fs q u e e z ec a s t i n gp r o c e s sw e r em a d ea g a i n s tt h e5 k g h a m m e d l e a d ：d i r e c ts q u e e z ec a s t i n ga n di n d i r e c t 瓢i u 鼢c a s t i n g ；p r o c e s so fs q u e e z e c a s t i n go f b i m e t a lh a l l l l o l m e rw a sm a d ea g a i n s t t h e5 0 k gh a m m e r h e a d p r o c e s sd e s i g na n d m o u l dd e s i g nw e r em a d ef o rt h ep r e v i o u st h r e ek i n d so f s q u o e z ec a s t i n gp r o c e s s s e c o n d l y , e x p e r i m e n t so fd i r e c ts q u e e z ec a s t i n ga n ds q u e e z ec a s t i n go fb i m e t a l h a m m e rw e r ep e r f o n n o dh e r e 。 u n d e rt h ed i r e c ts q u e e z ec a s t i n g , w h i l ep o u r i n gt e m p e r a t u r ei s 1 4 2 0 ，t h e f o r m i n gp 代墨s l 玳i sa m o n g1 5 0 , - - 2 5 0 m p a 孤l dh o l d i n gt i m eo f8 - - l o s ，t h ea v e r a g eg r a i n s i z eo f t h ed i r e c ts q u e e z ec a s t i n gh a m m e ri s5 孕a d ea n dt h eh i g h e s ti m p a c tt o u g h n e s so f i t i s2 0 9 1 7i d h n 2 c o m p a r e dt ot h eh a m m e r h e a dp r o d u c e du n d e rs a n dc a s t i n g , i t s i m p a c tt 0 吣毋蝴r a i s e da b o u t1 7 m e a n w h i l e , l h ec r a c k , c o l dl a pa n ds h r i n k a g e d e p r e s s i o n0 1 1 1t h eh a m m e rw a ss t u d i e dh e r e i nt h es q u e e z ec a s t i n ge x p e r i m e n to fb i m e t a lh a m m e r , w em a d eh a l l l m c l su n d e r t h o s ep r o c e s sp a r a m e t e r s ：p o u r i n gt e m r , e n a u r ci s 1 4 8 0 1 2 ，t l l ef o r m i n gp r 鹤s i ei s a m o n g2 0 0 m p a , h o l d i n gt i m eo f1 8 0 s w ef o c u s e do nt h ee o e x l r u s i o np r o c , 瑚h e r e m e a n w h i l e , e q u i p m e n tf o rs t u d yt h ew o r kh a r d e n i n gp l 珥嘞i m i t a t i n gt h er e a lw o r k e o j a d i t i o ni sm a d eh e r e u s i n gt h i se q u i p m e n t , e o l l e l u s i o n sw 讹m a d ea sf o ! l o w s ：t h e w o r kh a r d e n i n gp r o p e r t yo fh i 曲m a n g a n e s es t e e lh a m m e r h e a dp r o d u c e du n d e r s q u e e z ec a s t i n gi sb e t t e rt h a nt h a to f p e r m a n e n tm o u l de a s th a m m e r h e a d 北京交通大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：h i g hm a n g a n e s es t e e l ；h a m m e r h e a do l lt h ec r o s h ；s q u e e z ec a s t i n f f , b h n e t a lp r o c e s s ；w o r kh a r d e m g ；f o r m i n gq u a l i t y ；, c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以侠查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名：昊乏玲 导师签名：厮书、蜘 签字日期：，叩年值月牛日 签字日期：弘刁年。月歹日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师邢书明教授的悉心指导下完成的，邢书明教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影_ 噙，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此衷心感谢两年来邢书明老师对我的关心和指导。 张励忠副教授、鲍培玮老师和邢文斌工程师对于我的科研工作提出了许多宝 贵的意见，在此表示衷心的感谢。 课题组的博士姚淑卿、刘文、张密兰、李楠、刘志民以及硕士勾军年、刘华 斌、覃彦龙、竺超今、胡瑞生等在实验室工作及撰写论文期间也给予了热情的帮 助。在此，向他们表示诚挚的感谢! 另外也要特别感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 ， 1 前言 1 1 引言 1 前言 在矿山、水泥，建材、电力、冶金、化肥、煤炭、化工及城市建设等行业中， 大量的物料需要破碎及粉觯”，因此每年消耗的用于破碎的抗磨工件数量很大 目前，破碎物料的常用设备有鄂式破碎机，辊式破碎机，锤式破碎机、反击 式破碎机和圆锥破碎机等锤式破碎机是其中最常用的一种这种破碎机所破碎 的物料一般是岩石、金属矿石等坚硬的物体。因此锤头作为锤式破碎机的工作部 件，由于长期在高速旋转状态下与下落的物料发生剧烈的碰撞，从而破碎大块物 科。因此处于高冲击，高应力磨料磨损状态下，其工况条件十分恶劣。锤头磨损 消耗十分迅速，有的十几天，甚至几天就需更换。锤头的消耗量很大。文献【2 】指出： 每年约有1 1 2 0 万吨锤材消耗。而锤头的破坏引起的停机停产事故时常发生。 近年来，国内外科研工作者针对现阶段锤头使用过程中存在的问题，进行了 大量的研究，取得了一定的成效，但尚有不少亟待解决的问题。综观这些研究发 现：这些研究仍然是以铸造工艺为基础，对锤头的材质和复合方法进行的研究； 对锤头的生产方式研究很少因此本文以最常用的锤式破碎机锤头为出发点，来 探索以液态模锻的方式来提高锤头工作性能的可行性。 1 2 锤式破碎机锤头的工况条件和磨损失效分析 1 2 1 锤式破碎机锤头的工况条件 锤式破碎机的工作原理【3 】是由转子带动锤头高速回转，冲击物料，使物料沿自 然裂隙、层理面和解理面等脆弱部分而破碎。具体过程是高速回转的物料撞击， 继而物料与破碎板撞击，物科之间裙碰撞而破碎，若物科尚达不到需要的粒度时， 在转子下部铺设的出料篦子上，继续施以打击和研磨，直到需要的粒度捧出机器 外为止。 从上述锤式破碎机工作原理可知，在粗碎区，锤头由于旋转所具有的动能把 物料击碎抛出，在这个过程中锤头受到多次高应力的冲击磨损和冲击疲劳磨损， 因此要求锤头具有较高的韧性和强度；在细碎工作区，锤头、破碎板、篦子的共 同挤压、剪切尺寸较小，但是还没有达到需要的粒度的物料，这时锤头主要是受 较小物料的显微切嗣，因此要求锤头具有较高的硬度。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 2 锤头的磨损失效分析及性能要求 锤头的失效形式主要是磨损超限和断裂两种形式原因有三方面：工况条件、 材质方面、零件安装不良等因素。其中工矿条件不同是主要的影响因素。锤头重 量、锤头回转线速度、进料粒度大小、耐磨性、锐度、硬度等的不同，锤头的磨 损失效机制有很大的差异。因此对不同规格的各类锤头应根据其工况条件，进行 具体的磨损失效分析 在工作初期，小型破碎机锤头的侧面对着物料进行破碎工作，其主要受力方 式以撞击为主。磨损剜一定程度后，物科则对锤头工作面进行冲尉磨损。因此小 型破碎机锤头的磨损属于低应力冲击磨损、磨料磨损和冲刷磨损。磨损开始，锤 头由于撞击物料而产生撞击坑，坑中有残存的破碎磨料。这种变形使锤头表面产 生了加工硬化，形成硬化层，物科对硬化层的多次撞击产生了疲劳裂纹。裂纹交 割形成磨屑，磨屑脱离锤头后，造成锤头磨损。磨损到一定程度，锤头不再与物 料撞击，而是物料沿锤头工作面滑动，造成物料对锤面的冲刷磨损。由此可见， 对于小型破碎机锤头，工作前期以小能量撞击磨损为主，后期以冲刷磨损为主【3 】。 中型破碎机锤头主要用于破碎进料粒度为1 5 0 2 0 0 m m 的物料，锤头线速 3 0 4 0 m ，s 闭由于物料粒度较大，中型锤头主要是高应力冲击磨损，伴随着冲刷 磨损物科下落时与高速旋转锤头相撞击。正向撞击时，物料尖角压入锤面会形 成撞击坑，其冲击力主要转为对锤头的压应力；如以一定冲击角撞击时，则冲击 力可分解为垂直于锤面的法向应力和平行于锤面的切向应力。前者使锤头表面产 生冲击坑，并加工硬化；后者对锤头表面进行切削，形成一道道沟槽。 从上述分析可知，由于物料工况条件不同。其磨损机制有很大差别。但主要 是由切削磨损和撞击磨损组成，只是所占的比例不同。因此破碎机锤头的性能指 标主要有两个：耐磨性和韧性 1 3 国内外破碎机锤头材料与生产工艺的研究现状及研究进展 目前破碎机锤头主要使用高锰钢材料制作。传统的高锰钢锤头在小冲击力下， 由于不能充分加工硬化，使用性能很差。为此，人们对锤头的材料和铸造工艺进 行了大量研究。 1 3 1 破碎机锤头新材料 现在破碎机锤头的新材质的研究主要集中在合金化和新型抗磨铸铁材料等方 面，通过改变锤头的材质来提高其耐磨性和韧性。虽然从一定程度上提高了锤头 的使用寿命，但是都没有从根本上解决由于铸造工艺造成的缩孔、缩松等问题。 2 l 前言 以下分别列举了现在研究开发较多的五种新型破碎机锤头材料。 ( 1 ) 低合金钢 低合金钢强韧性较好，通过调整其成分与热处理工艺，可以在较大范围内控 制硬度和韧性的合理匹配按组织划分，新研制的多种多元低合金耐磨钢主要包 括：马氏体、奥氏体一贝氏体和贝氏体一马氏体基体组织。这些材料的锤头在应 用中收到了较好的效果例如；奥一贝和贝一马基体组织的锤头的寿命比高锰钢 锤头提高l 2 倍以上闱。 ( 2 ) 中锰抗磨铸钢 新型中锰抗磨铸钢的化学成分为c ：0 9 1 1 ，m n ：6 0 9 o ，c r ：1 o 1 2 ，s i ：0 5 o 8 通过加入适量的微量元素可以获得奥氏体+ 马氏体+ 屈氏 体+ 碳化物的铸态组织，经过水韧处理后，可以获得单一的奥氏体或奥氏体+ 颗 粒状碳化物，性能为2 0 0 2 1 5 h b ，a t 5 0 j c m z 。与铸态高锰钢相比，铸态中锰钢 锤头寿命提高了6 0 4 1 ( 3 ) 新型高锰钢 在普通赢锰钢成分的基础上，采取多元化处理( 如加入一定量的铬、钼及微 量钒、钛合金元素) ，使其在水韧处理前的初始硬度和屈服强度得到大幅度提高的 同时，仍保持高韧性因此新型高锰钢适用于高冲击、高应力的恶劣工况条件下 工作的l o o k g 级大锤头，其耐磨性是普通高锰钢的2 3 倍【4 1 ( 4 ) 高碳铬镍铝合金钢 其化学成分见表卜1 为了获得高硬度基体及一定数量的碳化物硬质相，以抵 抗硬物料凿削磨粒磨损，采用较高的含碳量；而铬、镍、钼等合金元素配合加入， 可以大幅度提高其淬透性，使锤头在空冷条件下也能淬成马氏体。镍的加入使钢 的韧性进一步改善，钛、稀土的加入可细化晶粒，净化晶界，提高钢的强度，材 料硬度5 2 5 8 h r c ，a t = 5 2 5 8 j e m 2 。在水泥厂现场工业应用，其耐磨性是高锰钢 的2 8 4 7 倍 4 1 。 表i - ! 高碳铬镍钼合金钢化学成分【4 l ( 质量分数，o 型! ! ：it h e c l m m i c a lc o m p o s i t i o no f h i g hc - c r - n i - m oa l l o ys t e e l i w b ( 绚 ( 5 ) 新型抗磨铸铁材料 新型抗磨铸铁材料主要是球铁和合金铸铁，这是由于其良好的耐磨性。球铁 包括：淬火奥一贝球墨铸铁；马一贝球铁。这种锤头的寿命比高锰钢提高l 倍以 上。合金铸铁包括高钒高酎磨合金铸铁、高铬钼镍合金铸铁、w m n n b t a 抗磨铸铁 由于合金元素的使用提高了其强度和硬度，其使用寿命较高锰钢提高2 倍左右 4 1 。 3 北京交通大学硕士学位论文 1 3 2 镶铸复合锤头 破碎机锤头的主要生产工艺是砂型铸造。以砂型铸造为基础，目前锤头的生 产新工艺主要有镶铸工艺复合和双液双金属复合。复合锤头新工艺的出现主要由 锤头的实际工作特征决定的 锤头在磨损过程中，锤端为主要磨损部位。如图卜l 所示，因此锤端要具有 较高的耐磨性；而锤柄在工作过程中韧性要求较高因此根据不同位置不同的性 能要求，采用不同的材质生成锤头的不同部位，然后进行铸造。镶铸工艺，即先 铸造或加工出锤头的一部分，作为铸造中的镶嵌件固定在型腔中，再进行另外一 种金属液的浇注，利用金属液的热量，将镶嵌块和母材结合在一起的工艺。目前 生产中使用的镶铸工艺依据主要有镶块，预制锤柄，预制锤端三种。 攫嚣位 广 l 图1 - 1 锤头磨损状况示意图 f i g 1 - ! w e a rc o n d i t i o no f t r u s h e rh a m m e r ( 1 ) 镶块 根据锤头的工作状况，镶块是锤头磨损的主要部位，因此选用耐磨性好的高 铬铸铁；而其它的母材部分不仅要有较高的强度和硬度，还要有足够的冲击韧性， 故选用碳钢( 如4 5 钢) 或铸造低合金钢。 将耐磨合金块( 镶块) 固定在锤头的主要磨损部位( 端部) ，然后浇入高温金 属液( 母材) ，利用金属液的热量，在凝固过程中将耐磨合金与母材结合在一起。 这种复合锤头同时具有较高的韧性和硬度 这种工艺的关键在于镶块能否和母材很好的结合，所以镶块采用了孔状和突 起状的镶块提高结合效果，如图l - 2 和图l - 3 所示。浇入金属液凝固以后，孔内 的金属和突起都起着销子的作用；同时对镶块采用抛丸和饱和硼砂水溶液处理， 从而提高镶块和母材的结合效果。 圈1 - 2 孔状镶块翻 f i g 1 - 2h o l e - s h a p c di n s “” 4 1 前言 、 丫y 图l - 3 突起状镶块 5 1 f i & l - 3u p l i f t - s h a p e di n s e r t 镶块在型腔中的安放位置如图4 所示： 图1 4 镶块的安放位置示意图 s l 嘲 f i 辱l - 4 i n s t a l l a t i o n l o c a t i o n o f t h e i n s e f t 嘲嘲 安放位置如图l _ 4 左边所示的复合锤头，经过空淬和低温回火热处理后，镶 块获得在m h 基体上均匀分布着细小的共晶碳化物的组织，使其洛氏硬度达到 h r c 6 0 0 左右1 5 1 ，镶铸件熔合处已完全结合在一起，没有冷隔、裂纹、夹杂等缺陷， 组织致密。这种复合锤头的寿命是高锰钢铸造锤头的2 倍以上【6 l 。 p c k l 0 1 0 锤式破碎机破碎能力( 白云石) 4 0 “h ，为2 4 小时连续运转。在这种破 碎机上，合金铜锤头的平均使用寿命仅2 8 8 小时，采用如图1 - 4 右边的镶合金硬 块的复合锤头后，经过1 8 个月的运行，锤头的平均使用寿命达1 0 3 2 小时，使用 寿命较合金钢锤头提高了3 5 倍 ( 2 ) 预制锤柄 锤柄由于要求有强的强韧性能，因此一般选用碳钢，常选用的碳钢为z g 3 5 、 z g 4 5 ，也可以使用钢筋型材直接弯制成型。而锤端材料一般选用高铬铸铁。 其中，高铬铸铁的成分在含有常规元素c 、c r 、s i 、m n 的基础上，一般加入 m o 、n i 和r e ，根据具体情况适当加入微量合金c u 、b 、面依据抗磨性需要， 适当提高碳含量是有利的但随着碳含量的增加，高铬铸铁的韧性下降，所以碳 含量应控制在2 4 2 鹞缸铬是高铬铸铁中的主要合金元素，其与碳结合可以生成 ( c r y e ) t c 3 型共晶碳化物，是合金中的主要抗磨相。另外，固溶在基体中的铬能提 商基体热强度和抗氧化能力，但铬含量过高会使残余奥氏体急剧增加和产生低硬 度的( c r , f e ) c 6 型碳化物，使抗磨性能下降，因此铬含量控制在1 4 1 8 。硅 5 北京交通大学硕士学位论文 和锰有利于脱氧，硅过量将导致力学性能下降，锰则会增加淬火组织中残余奥氏 体量，降低抗磨性，因此硅一般控制在0 4 0 8 ，锰控制在0 6 1 o 。加入适 量的铝和镍是为了提高淬透性，钼含量控制在0 5 1 2 ，镍控制在0 5 1 o 。 稀土具有脱氧、脱硫和消除其它有害杂质的作用，但过量反而导致夹杂物的增多， 降低高铬铸铁的强韧性，稀土一般控制在o 0 5 0 2 0 。新研究的锤柄和锤端的成 分、浇注温度、热处理工艺、组织及高锰钢相比的耐磨性见表l 一2 。 表l - 2 碳钢锤柄与高铬铸铁锤端成分、热处理工艺及组织闭 t a b l ei - 2t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n 、h e a tw e a t m e n tp r o c e s sa n dm i c r o s t r u c t u r e 垡些些些垡幽! 型型塑型! ! 蛐! 迪型鲍 序锤柄 锤 锤端成分( )浇注热处理锤靖破相 号端温度工艺组织碎对 一意 碧詈 性 3 ， 铬 肿啦 温强化物+ 回 *风冷，火片状m 铁2 5 0 慑+ 弥教分 量2 h ，空布二次穰 冷化物+ 残 寞 2q 2 3 5 - a 高2 3 1 4 ，0 5 o 0 5 徽量 c e 0 5 1 4 5 0 铸卷或铸杏：届岩铸 t 钢筋型铬 1 8 n j i di 卫l m 空淬氏体+ 共石态： l | 铸晶碳化物 2 0 4 铁空淬：m 空 + 共晶碳淬： 化物 22 0 3 z c , 4 5 高 2 4 1 4 ，0 5 0 6 0 4 0 0 5 o 爿l 州l i e 瘩再 石 铬2 j 1 0i ji 且o j0 上l 田1 5 4 0 热处理，灰 铸5 5 0 像石 铁置3 - 4 h 炉冷重 注：z g m n l 3 的相对耐磨性为l 0 。 ( 3 ) 预制锤端，后铸造锤柄 这种工艺的锤柄与锤端的材质选择有两种。一种组合是锤柄的材料选择普通 碳钢如z g 2 5 、z g 4 5 ，锤端选用高铬铸铁；另一种组合是锤柄为高锰钢，锤端为高 锰钢母体镶嵌硬质合金块。高锰钢在未硬化之前其初始硬度较低。在磨损状态下 极易磨损，为此，采用硬质合金支撑初始状态时软的高锰钢基体，镶铸后两者界 面达到冶金结合，表现出优良的耐磨性能。其成分、浇注温度及与高锰钢相比的 耐磨性见表卜3 。 6 1 前言 躺 鬈1 “8 1 。2 0 2 j 0 0 2 4 1 1 。0 0 。8 1 4 0 0 - 1 4 5 0 茎砣 ：一冀2 ”0 71 “2 0 ”3 1 1 。j 2 0 4 4 0 。5 篇c u 0 犯3 t 娜堞s 3 ，删m z 矗g m 喜n 銎1 3 8 ， 8 0 。暑8 。8 。0 啦4 0 8 m 糊t 似- 伽箬，z 4 z c , m n l 3 嚣 爰，3 0 叠莶! 沣：z g m n l 3 的相对耐磨性为1 o 1 3 3 双液双金属复合铸造锤头 双液双金属复合铸造方法就是首先向铸型中浇入一定厚度第一种金属液，同 时浇入熔融的高温保护剂，以防止结合部位的高温氧化，在一定时间间隔后再浇 入第二种金属液。与镶铸复合工艺相比，共同点在于都是两种不同金属的复合； 不同点在于双液双金属复合工艺中两种金属都是以液态形式浇入。而镶铸复合工 艺中，其中一种金属以镶块的形式置于型腔中，另一种金属以金属液形式浇入。 ( 1 ) 高铬铸铁+ 高锰钢 采用整体消失模真空吸铸工艺，见图1 - 5 。在e p s 模样中放置经过稀盐酸清 洗烘干的钢结构，材质为q 2 3 5 - - a ，形状为箱形结构( 见图l _ 4 中的5 ) ，一端开 口，要求浇注高铬铸铁时不被熔穿，先浇高铬铸铁，然后浇高锰钢。两种材质的 化学成分及浇注温度见表l 一4 序号l 。此工艺生产豹复合锤头，破碎煤时较高锰钢 铸造锤头寿命提高3 倍以上 ( 2 ) 高铬铸铁+ 碳钢 两种材质的成分及浇注温度见表卜4 序号2 。工艺为：造型后在型腔中锤头头 部放置一燕尾槽状材质为q 2 3 5 一a 钢板，将型腔隔成两个各自封闭的两部分，隔 板厚度为l m m ，隔板在使用前要进行除锈等净化处理，设置两套浇注系统，分别 注入两种金属液。其在破碎石灰石物料时，较高锰钢锤头寿命提高2 倍以上 7 北京交通大学硕士学位论文 鳍枸7 浇日杯( 浇膏譬钼 图卜5 高铬铸铁+ 高锰钢复合锤头整体消失模真空吸铸工艺 f i g 1 - 5e p c v a c u u m o 咖p r o c o f h i g h c r c a s t i r o na n d h i g h m a n g a n e s e s t e e l 1 4 液态模锻技术的发展概况 液态模锻是将一定的液态金属直接注入金属模膛，然后施以机械静压力，使 熔融态金属，在压力下结晶凝固，并产生一定塑性变形以获得制件的加工过程 其实质上就是铸造工艺和模锻技术的复合利用液态合金在金属铸型中成形与结 晶的特点并施以压力使已凝固的铸态封闭硬壳产生塑性变形，强制性消除因凝固 收缩形成的缩孔疏松类缺陷，以获得合格的密实液锻件。其工艺过程见图6 。其应 用在国内外受到广泛重视，是具有广阔应用前景的一项材料成型技术 该工艺于1 9 3 7 年在苏联问世，比压铸工艺晚约1 0 0 年，当时被称作“液态金 属模压”。1 9 7 0 年在第六届国际压铸会议上，美国学者j c b e d y k 发表了名为 。s q u e e z e c a s t i n g ”的著名论文，向欧美国家推荐此工艺，从而使该工艺有了“挤 压铸造”和“液态模锻”两个名称但在日本，该工艺被称为“熔汤锻造” 8 1 前言 蛩殛窥 侥篷加压慑压置曩 图l - 6 液态模锻工艺过程示意图 f i g 1 - 6 t h e l x o c e s s o f s q u e e z e c a s t i n g 到6 0 年代中期，苏联已有1 5 0 多个大型工厂采用此项工艺，生产的零件有2 0 0 种之多，7 0 年代许多国家也积极开发研究液态模锻，并应用于生产。在我国，从 1 9 5 7 年开始进行液态模锻工艺的研究，六十年代中已用于铝合金仪表零件等的生 产。7 0 年代初，些科研院所开展了液态模锻工艺基础理论的研究工作，近年来， 此工艺得到了较快的发展【删 液态模锻闻世7 0 年来，己建立了包括压力对合金状态图、形核与长大和气体 的溶解与析出等方面的影响；液态模锻过程中铸件的成形、凝屈与热传导；压力 的传递、分布与损失；铸件的收缩和补缩，晶粒组织与异常偏析形成等在内的一 整套压力下结晶及液态模锻理论体系o o l ，为液态模锻工艺的发展奠定了较坚实的 理论基础9 0 年代初我国研究者还提出了在液态模锻的最后凝固阶段，其凝固形 式是以理想状态下液态模锻的凝固方式进行的液态模锻件的致密机制，从而解决 了前面介绍的理论体系不能解释的在有限压力下完全消除内部缩孔的问题【l l ，1 2 1 为适应生产多样化的需要，液态模锻工艺己发展了直接冲头挤压、间接冲头 挤压、柱塞挤压、型板挤压等多种形式。液态模锻设备也从早期的通用压力机发 展为带活动横梁、顶出器油缸或侧向油缸的普通型液态模锻机。近l o 年又发展出 从模具清洗、喷涂、浇注、挤压，到取件全自动化、挤压速度可分级调节、工艺 参数可全过程计算机控制并显示的先进的液态模锻机0 3 , 1 4 , 啊目前，液态模锻件涉 及的材料有铝、铜、锌、镁等合金以及钢铁材料；涉及的产品包括汽车及摩托车 的零部件n 日，如轮毂、制动器、减振器、汽车活塞堋、摩托车发动机及传动箱铝 件、压气机连杆零件、高压阀体、蜗轮，以及各种铝合金泵体件、铝合金轴套和 军用零件等f l s 搠。在国内外己形成年产1 0 万吨以上铸件的批量生产能力，如日本 丰田公司己形成年产1 0 0 万只铝轮及1 2 0 万只复合材料活塞的生产能力，并己在 2 3 种车型上得到使用 2 0 , 2 1 捌 1 4 f 1 液态模锻的特点 液锻工艺是合金液在较高的压力作用下充型、凝固并产生少量塑性变形的一 9 北京交通大学硕士学位论文 种工艺方法。国内外的研究及生产实践都已证明，液锻工艺具有优质、高效、节 能、低消耗、适应性广等一系列优点。因此液态模锻的工艺特点概括为以下几点： ( 1 ) 液锻产品质量优良 液锻件一般无铸件中常见的气孔、缩孔、缩松等缺陷：内部组织致密、均匀、 晶粒细小；能用热处理方法进一步提高其机械性能。其机械性能可与锻件相媲美， 可靠性高。液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态 模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸铸造件的水平，其程 度与模具表面光洁度有关。 液态模锻使液态金属以低速充型，不会卷入大量气体。因此消除铸件内部的 气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密。能明显的细 化晶粒，加快凝固速度和使组织均匀化，大大改善了合金的力学性能。 ( 2 ) 生产率高 液锻工艺生产过程简单，操作容易，便于组织机械化、自动化生产，生产周 期短。此外，液锻工艺生产的成品率高达9 0 以上，所以生产率也相应提高。 ( 3 ) 材料消耗少，节能显著 没有浇注系统，金属利用率可达9 5 ，除了必须加工的部分外，浇入模腔的 金属都用于形成零件。生产相同致目、品种的产品时，可大大减少熔炼时间及其 消耗的能源。机械加工余量很少，能较大的节省机械加工工时、电力及机床设备 投资。 ( 4 ) 工艺适应性广 液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防 止铸造裂纹的产生。因而液态模锻工艺的适应性强，使用的合金不受铸造性能好 坏的限制。既可用于铝、铜、镁、锌等有色合金，又可用于钢、铁等黑色金属， 还可用于镍、钴等高温金属，甚至可用于复合材料和铸石等特殊材料。此外，产 品的壁厚对液锻工艺没有多大的影响。尤其是对于壁厚悬殊的复杂件，液锻是最 好的方法。 1 4 2 液态模锻的工艺参数 液态金属浇入型腔后，在加压开始之前的一段时间里( 开始加压时间) ，液态 金属在与凹模型壁和型芯的接触面上，会生成一层凝固层。液态金属浇注量越少、 合金铸型导热性越好、浇注温度和铸型温度越低、开始加压时问越长，则最初的 凝固层越厚，这对随后的挤压成形乃至最终的铸件质量都将产生重要的影响。随 着压力下凝固过程的进行，铸件凝固层厚度与强度不断增加，其内部包含的合金 i 0 1 前言 液不断减少；当厚度和强度增至一定数值后，压头被铸件侧面的一凝固层所支撑， 从而无法通过合金液将压力从侧向传递到已凝固层上这样铸件侧面的己凝固层 则因只受到纵向压缩力的作用而弯曲。了解各液态模锻过程中工艺参数的影响机 制，正确选择工艺参数，是获得合格产品及较好经济效益的重要方面阱】。 ( 1 ) 液态金属质量 金属液熔炼以后才能进行液态模锻因此液锻产品质量的好坏，除了各种铸 造工艺参数，模具结构外，液态金属的质量问题是最重要的因素。液态金属的质 量好坏主要决定于合金的成分配置和合金熔炼的操作过程。 ( 2 ) 浇注温度 液态模锻所采用的浇注温度，应比同种合金的砂型、金属型铸造略低一些。 由实践结果可知，一般都希望把浇注温度控制在较低值一旦施压后，能使整个 金属液同时迸入过冷状态，获得同时成核的条件，进而获得等轴细晶组织的制件。 对于凝固温度区间窄的合金，当金属液和模壁接触后立即形成结晶层，这类合金 过热度大一些。合适的浇注温度一般比液相线高4 0 1 2 6 0 为宜。对于薄壁制件 或热容量较小的合金制件浇注湿度应取高些；反之，应取低些 2 4 1 。 ( 3 ) 充型压力 液态模锻是一种高压下凝固成形的过程，由于液态金属在凝固过程中获得高 压，因此使金属的结晶凝固过程发生一系列变化。压力的选择应在保证铸件质量 的前提下尽量取低值通常应考虑合金特性、铸件形状、零件使用要求和挤压方 式。碳钢液态模锻件的比压与机械性能的关系是：当比压超过4 0 m p a 以后，钢的 性能和塑性指标均有提高，且这一规律也存在于铸铁、不锈钢和工具钢中。但是 过商的比压值对组织和性能的改善影响甚微，甚至出现某些下降。并且给生产带 来困难，造成能源浪费和增加模具磨损等不良后果。为保证生产条件下的铸件质 量，应考虑各种工艺参数的波动，为此生产时采用的压力，一般应高于实验值1 2 5 1 ( 4 ) 开始加压时间 合金浇入铸型至开始加压的时间间隔。称为开始加压时间，一般以金属冷却 到不低于其固相线温度为准，应尽量短些为好。这样就可以最大限度地减薄金属 自由结壳的厚度，以提高铸件质量。 ( 5 ) 保压时问 压力保持的时间，一般应控制到铸件完全凝固时为止。保压时间过短，当铸 件心部未完全凝固时就卸压，则使心部得不到压力补缩，而残留缩松或缩孔等缺 陷，金属组织也不均匀；保压时间过长，铸件温度较低，线收缩加大，势必增加 铸件本身的内应力，使铸件脱型困难，加之铸型温升较高，对铸型寿命和铸件表 面质量均有不利影响。这在黑色金属液态模锻中尤为重要。据有关国外文献提供 北京交通大学硕士学位论文 嘲：c a ) 壁厚小于5 0 m m 的铝合金制件，每l o m m 需时5 s ：( b ) 壁厚小于l o o m m 的铜合金，每l o m m 需时1 5 s ；c o ) 钢和铁制件每l o m m 需时5 s 。 ( 6 ) 模具温度 模具温度过高或过低都会给制件的质量和模具寿命带来不利影响 2 6 , 2 7 ) 模温 过高，容易发生粘模，使脱模发生困难，还容易发生熔焊现象；模温过低，则制 件质量难以保证，产生冷隔和表面裂纹等缺陷。合适的模温主要取决于合金的类 型、毛坯的形状和大小以及涂料的喷涂。另外，模具温度还对铸件的组织和性能 产生影响【2 | 】 1 4 3 液态模锻所使用涂料 液锻过程中，根据液锻件的材料、液锻件的结构特点来选择合适的涂料成分。 正确地配置涂料和正确地喷涂涂料，是获得优质液锻件及延长液锻模寿命的重要 环节。 涂料主要有以下几个作用： ( 1 ) 减少高温金属液对模具型腔的“热冲击”。防止在热交变应力的作用下， 模具型腔表面产生龟裂。喷涂涂料后，由于涂料的导热能力差，侵型腔表面受热 的剧烈程度减弱，于是起到了对液锻模的保护作用。 ( 2 ) 涂料能起到隔热作用。利用涂料的隔热作用，以降低模具的散热作用， 使合金液的热量在充型时损失减少。于是，合金液在充型时能保持良好的流动状 态，以保证充型过程顺利进行。使合金液与模具型腔表面隔开，避免高温合金液 与型腔表面黏附或熔焊。 ( 3 ) 能减少液锻件与型腔、型芯表面问的摩擦，一既易于脱模，又可延长模具 寿命和提高液锻件的表面质量。涂料层有一定的退让性，可防止液锻件在冷却时 因收缩而产生的裂纹喷涂涂料还可以降低模温，以控制和调节模具的工作温度。 要使涂料能起到上述的作用，涂料应具备下列的性能： ( 1 ) 有足够高的耐热性，不会被高温合金液熔化。涂料的化学稳定性能要好， 它不应与合金液、氧化物及金属型腔产生化学反应。在空气中应不会使稀释剂很 快的挥发而变浓 ( 2 ) 无特殊气味，高温下不会分解出有害气体涂覆性及流动性好，便于喷 成雾状和均匀分布在型腔表面。高温下能保持良好的润滑性和较好的隔热作用。 ( 3 ) 挥发点低，在1 0 0 1 5 0 下，稀释剂能很快挥发原料来源丰富，价格 低廉，配制简便。 国内外所用的涂料种类很多，可根据液锻件的成分、液锻件的结构及液锻工 l 前言 艺要求来选用。但应用于黑色金属液锻件的涂料只有一种。那就是将这些原材料： 玻璃粉：水玻璃：三氧化二铝：碳酸钙：l 3 氧化锌溶液以1 0 ：1 2 ：3 5 ：3 5 ：余量( 质量分数，) 进行配比，然后搅拌均匀使用，使用效果并不理想。因 此严重影响了黑色金属液态模锻工艺的发展 1 5 现在锤头生产工艺存在问题和本课题的提出 1 5 1 现存问题 虽然现在破碎机锤头使用材料和砂铸工艺研究有了一定的进展，但是由于砂 铸工艺本身的限制，导致锤头在使用过程中出现了一系列的问题。锤头生产中使 用普通砂铸工艺出现的问题主要有以下两方面： ( 1 ) 采用普通砂铸方法生产高锰钢铸件时，为消除铸件中的缩孔和缩松缺陷， 通常需设置大冒口对铸件进行补缩这不仅降低了铸件的出品率，而且冒口的切 断也很困难：若在水韧处理前切割冒口，易使铸件产生割口裂纹；若在水韧处理 后切割冒口，则易使铸件的割口邻近区性能恶化。 ( 2 ) 普通砂铸工艺过程中，金属液散热较慢，金属液温度一直较高，因此生 产出的锤头组织较为粗大；且由于砂铸过程中造型砂的使用，极易出现夹杂。因 此得到的锤头晶粒度低，容易出现缩松、缩孔、夹杂等缺陷。 从上述分析可知，尽管现在有很多新型锤头材料和复合砂铸工艺的研究，但 是由于普通砂铸工艺的本身制约，生产出的锤头的耐磨性和韧性难以同时得到很、。 大的提高。总之，现阶段所生产的锤头，存在着较多的问题，最突出的问题是硬 度和韧性两个关键力学性髓指标无法同时达銎l 较高水平，极大她限制了破碎机锤 头的使用寿命 1 5 2 本课题的提出 通过大量的文献资料检索分析和对破碎机制造企业、锤头生产企业及一些矿 石破碎厂的调研，目前破碎机锤头生产的研发趋势为： ( 1 ) 根据不同的工况条件，选择不同的耐磨材料和生产工艺。 ( 2 ) 使用一种新的锤头生产工艺液态模锻工艺，从源头上解决问题。目 前对破碎机锤头的材料研究仍建立在铸造工艺基础上，而对其生产工艺的研究相 对较少。然而，众所周知，如何充分发挥材料的潜力，还是需要通过选择合适的 生产工艺来实现。怎样通过合适的生产工艺，大幅度提高锤头的使用性能。这将 是材料及铸造科技工作者研究的热点和难点之一液态模